Вычислительный и экспериментальный анализ кости пациента с переломом под визуальным контролем (GAP) (GAP)

Изучение механизмов повреждения кости, протекающего на многоуровневой основе, имеет принципиальное значение для понимания процессов перелома. В частности, возрастные переломы постоянно увеличиваются из-за увеличения среднего возраста и широко распространенных заболеваний, таких как остеопороз. Они приводят к высокому экономическому бремени, заболеваемости (в том числе психологической, например, слабости) и повышенной смертности. Чтобы уменьшить влияние переломов костей на здоровье и экономику, ключевым моментом является ранняя диагностика. В связи с этим необходимо учитывать, что кость характеризуется сложной иерархической структурой. Как кортикальный, так и трабекулярный отделы состоят из микрометрических пластинок, состоящих из коллагеновых фибрилл, внутри которых обнаруживаются остеоциты. Они находятся в субмикронных полостях, называемых лакунами, которые соединены густой сетью канальцев. В наномасштабе фибриллы состоят в основном из кристаллов коллагена и гидроксиапатита. Эта сложная архитектура отражается в характере разрушения: фактически повреждение происходит на множестве масштабов. Однако характер разрушения и связанные с ним физические явления до сих пор не изучены, особенно на микроуровне.

В последнее время методы микромасштабной визуализации были объединены с конкретными численными моделями, которые могут рассчитывать локальные значения напряжения и деформации костей. Предварительные исследования были сосредоточены на оценке возможного взаимодействия между микротрещинами и микроструктурной пористостью. Это конкретное исследование сосредоточено на лакунарной сети, которая, как предполагается, значительно влияет на устойчивость кости к перелому, хотя фактическая роль лакунарной сети еще не выяснена. Во-первых, лакуны представляют собой области концентрации напряжений, которые, по-видимому, приводят к ослаблению костной структуры. Однако в большинстве случаев лакуны вносят положительный вклад в ударную вязкость, отклоняя фронт трещины. Связь между лакунами, определяемая сетью канальцев, также уменьшается у лиц с остеопорозом, что предотвращает замедление повреждения. В этом смысле кость можно считать устойчивым к повреждениям материалом. Дональдсон и др. разработали вычислительные модели и оценили порог возникновения и распространения микроповреждений. Они использовали компьютерную микротомографию бедренных костей мышей и оценили влияние различных алгоритмов на распространение повреждения in-silico. Дальнейшие результаты показали, что повреждение всегда происходит на поверхности кровеносных сосудов или пористости, а не начинается с лакун. Однако для проверки эффективности моделей повреждений потребуются дополнительные симуляции и модели.

Расчетные модели повреждений также требуют экспериментальной проверки. Предварительные исследования были проведены в двух основных направлениях: визуализация in vivo и методы оценки отказов под визуальным контролем (IGFA). Первый подход позволяет осуществлять неразрушающий контроль за повреждением костей у живых животных. Второй подход, реализованный А. Левчуком и соавт. (8), демонстрирует огромный потенциал, позволяя изучать зарождение и распространение микротрещин с субмикрометровым разрешением, но только на мелких животных.

Текущее исследование впервые хочет провести тесты на образцах костей человека с использованием методов IGFA.

Несмотря на несколько исследований по характеристике моделей повреждений на микроуровне, проверка вычислительных моделей переломов на людях все еще отсутствует. Кроме того, роль морфологических признаков на микроуровне в образцах до сих пор неизвестна.

Эти микромасштабные исследования могут улучшить клиническое понимание переломов костей и прогнозирование риска переломов. В настоящее время клиницисты используют минеральную плотность кости, которая является параметром макромасштаба, в качестве наиболее распространенного предиктора перелома костей. Однако недавние исследования демонстрируют важность тщательной характеристики геометрических и морфологических характеристик микроархитектуры.

ЦЕЛИ

Общая цель Исследование направлено на экспериментальную проверку вычислительных моделей повреждения костей на микроуровне. Общая цель преследуется контролируемым повреждением в аппарате микрокомпрессии образцов человеческой кости из головки бедренной кости. Механизм размещен внутри синхротрона.

Основная цель Основная цель настоящего исследования состоит в том, чтобы оценить разницу в привлекательности повреждения кости по отношению к щелям в двух рассматриваемых группах (остеопоротическая и неостеопоротическая) после микрокомпрессионного тестирования.

Выбранный дискриминирующий параметр оказывается числом костных щелей, встречающихся при микроповреждениях. Мы ожидаем наблюдать размер эффекта 0,4 между двумя группами по отношению к выбранному параметру.

Второстепенные цели

• Определение роли щелей, канальцев и других костных микроструктур в повреждении. Образцы костей человека сканируются микротомографом для определения микроструктурных морфологических параметров, а также реализации и анализа численных моделей.
• Проверка этих численных моделей повреждения с помощью испытаний на микрокомпрессию, проведенных на месте на синхротроне с адекватным разрешением.
• Количественная оценка повреждений в образцах костей человека, пораженных остеопорозом
• Определение микромасштабных индексов переломов, полезных для ранней диагностики остеопороза